Guide de l'analyse et de la prévision des vagues 9789263207029

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Guide de l'analyse et de la prévision des vagues

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Édition 2018

OMM-N° 702

Guide de l'analyse et de la prévision des vagues

Édition 2018

OMM-N° 702

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ISBN 978-92-63-20702-9 NOTE Les appellations employées dans les publications de l’OMM et la présentation des données qui y figurent n’impliquent, de la part de l’Organisation météorologique mondiale, aucune prise de position quant au statut juridique des pays, territoires, villes ou zones, ou de leurs autorités, ni quant au tracé de leurs frontières ou limites. La mention de certaines sociétés ou de certains produits ne signifie pas que l’OMM les cautionne ou les recommande de préférence à d’autres sociétés ou produits de nature similaire dont il n’est pas fait mention ou qui ne font l’objet d’aucune publicité.

TABLEAU DES MISES À JOUR

Date

Partie/ chapitre/ section

Objet de l'amendement

Proposé par

Approuvé par

TABLE DES MATIÈRES Page

AVANT-PROPOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  xiii Aperçu général. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Terminologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Questions climatologiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Structure du Guide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi CHAPITRE 1. VAGUES OCÉANIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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1.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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1.2 VAGUE LINÉAIRE SIMPLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  2 1.2.1 Définitions de base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Rapports de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.3 Mouvement orbital des particules d'eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.4 Énergie des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.5 Influence de la profondeur de l'eau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.6 Réfraction et diffraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.7 Vagues déferlantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 CHAMPS DE VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10 1.3.1 Décomposition des vagues simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.2 Groupes de vagues et vitesse de groupe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.3 Description statistique des enregistrements de vagues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.4 Durée des enregistrements de vagues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.5 Utilisation des paramètres statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.6 Distribution des hauteurs de vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.7 Spectre des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.8 Paramètres déduits d'un spectre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.9 Types de modèles pour les spectres des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.10 Remarques sur le spectre directionnel des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 CHAPITRE 2. VENT À LA SURFACE DE L’OCÉAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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2.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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2.2 SOURCES DE DONNÉES MARITIMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26 2.2.1 Messages météorologiques de navires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1.1 Évaluation du vent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2.1.2 Mesure du vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.2 Messages émanant de bouées ancrées et dérivantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.3 Stations terrestres (côtières) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.4 Ajustement courant des données in situ selon la hauteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.5 Données transmises par les satellites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3 COUCHES LIMITES MARITIMES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33 2.3.1 Couche à flux constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2 Rugosité de la surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.3 Effets de la stabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 FACTEURS MÉTÉOROLOGIQUES À GRANDE ÉCHELLE INFLUANT SUR LE VENT À LA SURFACE DE L'OCÉAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  38 2.4.1 Analyses du vent et de la pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.2 Vent géostrophique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.4.3 Vent du gradient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

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2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.4.9 2.4.10

Effets du frottement en surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Vent thermique  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Vent isallobarique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Diffluence des champs de vent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Cisaillement du vent dans les zones frontales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Analyse des lignes de courant dans les régions tropicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Analyse des systèmes dépressionnaires tropicaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.5 PRÉVISION NUMÉRIQUE DU TEMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  55 2.5.1 Modèles à points de grille. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.5.2 Modèles spectraux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.5.3 Modèles à domaine limité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.4 Paramétrage de la couche limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.5 Modèles couplés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.5.6 Assimilation des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.5.7 Réanalyses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.5.8 Prévision d'ensemble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 CHAPITRE 3. FORMATION ET DÉCLIN DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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3.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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3.2 CROISSANCE DES VAGUES DE VENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63 Formules empiriques et courbes de croissance des vagues de vent . . . . . . . . . . 65 3.3 PROPAGATION DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  68 3.3.1 Dispersion angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.3.2 Dispersion longitudinale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4 DISSIPATION DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  71 3.4.1 Dissipation des vagues en eau profonde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.4.2 Dissipation des vagues en eau peu profonde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4.3 Dissipation de la houle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5 INTERACTIONS NON LINÉAIRES VAGUE-VAGUE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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3.6 OBSERVATIONS GÉNÉRALES SUR LES TERMES SOURCES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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CHAPITRE 4. PRÉVISION MANUELLE DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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4.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 

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4.2 MÉTHODES EMPIRIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  82 4.2.1 Vents variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.2 Évaluation du fetch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.3 Croissance des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.4 Déclin de la houle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2.5 Vitesse et déplacement des groupes de vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2.6 Questions diverses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3 CALCUL DES VAGUES DE VENT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  85 4.3.1 Détermination des caractéristiques de l'état de la mer pour une vitesse du vent et un fetch donnés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.2 Détermination de l'état de la mer pour une vitesse de vent croissante. . . . . . . . 86 4.3.3 Extrapolation d'un champ de vagues existant se développant ultérieurement sous l’action d'un vent de vitesse constante . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3.4 Extrapolation d'un champ de vagues existant se développant ultérieurement sous l’action d'un vent de vitesse croissante . . . . . . . . . . . . . . . . 88

TABLE DES MATIÈRES

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4.3.5

Détermination des effets d'un fetch dynamique pour une tempête tropicale se déplaçant à différentes vitesses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.4 CALCUL DE LA HOULE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91 4.4.1 Tempêtes lointaines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.4.2 Tempêtes lointaines et fetch long. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Houle arrivant en un point d'observation à partir d'une tempête proche . . . . . 94 4.4.4 Autres exemples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.5 CALCUL DES EFFETS LIÉS À LA FAIBLE PROFONDEUR DE L'EAU. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  100 4.5.1 Effets sur la houle de la diminution de la profondeur et de la réfraction à proximité du littoral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 4.5.1.1 Variation de la hauteur des vagues due à la diminution de la profondeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.5.1.2 Effets de la réfraction sur la hauteur des vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.5.1.3 Détermination du coefficient de réfraction par la méthode de Dorrestein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.5.2 Vagues de vent en eau peu profonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.6 MODIFICATION DES ORIENTATIONS FOURNIES PAR LES MODÈLES NUMÉRIQUES.  106 4.6.1 Problèmes éventuels rencontrés avec les modèles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.6.2 Vérification opérationnelle des modèles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.6.2.1 Vent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.6.2.2 Vagues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.6.2.3 Autres effets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.6.3 Cycle de prévision: analyse, diagnostic et pronostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.7 PRÉVISION DES COURANTS D’ARRACHEMENT  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  110 4.7.1 Méthode de prévision de base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.7.2 Éléments à prendre en considération dans la prévision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.7.3 Conseils relatifs à la mise en place d’un système de prévision . . . . . . . . . . . . . . . 113 CHAPITRE 5. MODÉLISATION NUMÉRIQUE DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116 5.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116 5.2 NOTIONS DE BASE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116 5.3 ÉQUATION DU BILAN ÉNERGÉTIQUE DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118 5.4 ÉLÉMENTS DE LA MODÉLISATION DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  118 5.4.1 Conditions initiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.4.2 Vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4.3 Apports et dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4.4 Interactions non linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.4.5 Propagation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4.5.1 Méthodes faisant appel à une grille discrète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4.5.2 Méthodes de traçage de rayons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.4.6 Relaxation directionnelle et interaction entre la mer du vent et la houle . . . . . . 126 5.4.7 Profondeur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 5.4.8 Effets des limites, du littoral et des îles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5 CLASSIFICATION DES MODÈLES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  128 5.5.1 Modèles découplés avec propagation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.5.2 Modèles hybrides couplés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.5.3 Modèles couplés discrets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.5.4 Modèles de troisième génération. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.6 NOUVEAUTÉS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  133

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GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

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CHAPITRE 6. MODÈLES DE VAGUES OPÉRATIONNELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  135 6.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  135 6.2 MODÈLES DE VAGUES À SPECTRES BIDIMENSIONNELS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  135 6.3 CARTES DES VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  138 6.4 PRODUITS CODÉS DES MODÈLES DE VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  142 6.4.1 GRIB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.4.2 NetCDF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.5 VÉRIFICATION DES MODÈLES DE VAGUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  143 6.6 SYSTÈMES DE PRÉVISION D’ENSEMBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  147 CHAPITRE 7. DONNÉES SUR LES VAGUES OBSERVÉES, MESURÉES ET MODÉLISÉES . . . . . .  152 7.1 INTRODUCTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  152 7.2 DONNÉES SUR LES VAGUES RECUEILLIES IN SITU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  153 7.2.1 Différences entre données visuelles et instrumentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.2.1.1 Estimation de la hauteur significative des vagues à partir de l’observation de la mer du vent et de la houle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.2.1.2 Partitionnement des données du spectre des vagues entre la mer du vent et la houle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.2.2 Observations visuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.2.2.1 Observations visuelles réalisées à partir de navires. . . . . . . . . . . . . . . 154 7.2.2.2 Sources de données visuelles sur les vagues recueillies par des navires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.2.2.3 Observations visuelles à partir de stations côtières. . . . . . . . . . . . . . . 157 7.2.3 Données mesurées sur les vagues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.2.3.1 Mesures des vagues effectuées sous la surface de la mer. . . . . . . . . . 158 7.2.3.2 Mesures des vagues effectuées à partir de bouées . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.2.3.3 Autres mesures des vagues effectuées à la surface de la mer. . . . . . . 164 7.2.3.4 Mesures effectuées au-dessus (mais à proximité) de la surface de la mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.3 DONNÉES DE TÉLÉDÉTECTION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  166 7.3.1 Analyse active de la surface des océans par des ondes électromagnétiques. . . 167 7.3.2 Télédétection par satellite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.3.2.1 Altimètres radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.3.2.2 Radars à antenne synthétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.3.2.3 Diffusiomètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.3.2.4 Radiomètres à hyperfréquences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.3.2.5 Nouvelles technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.3.3 Télédétection en surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.3.3.1 Capteurs obliques montés sur des plateformes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.3.3.2 Radars haute fréquence à onde de sol et à onde réfléchie . . . . . . . . . 175 7.4 DONNÉES MODÉLISÉES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  176 7.4.1 Simulations rétrospectives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7.4.2 Réanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.4.2.1 Réanalyse ERA5 du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.4.2.2 Le Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) des Centres nationaux de prévision environnementale (NCEP) de l’Administration américaine pour les océans et l’atmosphère (NOAA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

TABLE DES MATIÈRES

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7.4.3

Modélisation opérationnelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

ANNEXE 1. NOMOGRAMMES - VAGUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 ANNEXE 2. PRÉVISION DES VAGUES: NOTIONS FONDAMENTALES ET CONSEILS PRATIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 BIBLIOGRAPHIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 AUTRES LECTURES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

AVANT-PROPOS

Les Services météorologiques et hydrologiques nationaux (SMHN) de nombreux pays maritimes fournissent depuis longtemps des prévisions et des simulations rétrospectives des vagues, afin de faciliter l'exercice de toutes les activités maritimes (navigation, pêche, exploitation minière, commerce, ingénierie côtière, construction, loisirs, etc.). Consciente de cela et du fait qu’il était difficile pour les SMHN des pays en développement de se procurer des documents d'orientation sur les méthodes de prévision des vagues, l'Organisation météorologique mondiale (OMM) avait chargé un groupe d'experts de rédiger le Guide de l'analyse et de la prévision des vagues, qui avait été publié en 1988 sous la cote OMM-N° 702. Ce document officiel mettait à jour et remplaçait le très populaire Manuel de l’analyse et de la prévision des vagues (OMM‑N° 446), publié pour la première fois en 1976. L'édition 1988 du Guide a ensuite été mise à jour en 1998 (deuxième édition). Cette troisième édition (2018) tient compte des dernières mises à jour, ainsi que des améliorations spectaculaires réalisées au cours des vingt dernières années dans les domaines de la modélisation des vagues et des capacités d'observation. Compte tenu des besoins des SMHN en matière de services relatifs aux vagues océaniques et des progrès rapides des techniques de mesure, d'analyse et de prévision des vagues, la Commission de météorologie maritime (CMM) de l’OMM a créé en 1984 le Programme concernant les vagues. Les divers éléments de ce programme ont été mis en œuvre, révisés et mis à jour au départ par le Sous-groupe de la prévision et de la modélisation des vagues et, depuis la création de la Commission technique mixte d'océanographie et de météorologie maritime relevant de l'OMM et de la Commission océanographique intergouvernementale (COI), par une équipe d'experts spécialisée dans les vagues et les ondes de tempête. L'un de ces éléments consiste à étudier et à réviser en permanence le Guide de l'analyse et de la prévision des vagues, selon les besoins. Dans ce but, l'équipe d'experts a créé, en 2011, un groupe spécial d'experts placé sous la présidence de M. Thomas Bruns (Allemagne), chargé de procéder à une révision et à une mise à jour complètes du Guide au vu des nouveaux développements et notamment des informations communiquées par les utilisateurs de l'édition de 1998. Sous la houlette de M. Bruns, ces experts internationaux ont élaboré des versions considérablement remaniées des chapitres du Guide. Ces contributions individuelles ont ensuite été coordonnées, rassemblées et corrigées par M. Bruns afin de produire une version préliminaire. Celle-ci a été soumise à un large réseau d'experts des vagues, qui l'ont étudiée et ont fait part de leurs observations. Il a été tenu compte de ces observations autant que faire se pouvait, puis M. Bruns a procédé aux ultimes vérifications de cette troisième édition. Aucune publication de cet acabit ne peut prétendre à la perfection, surtout dans un domaine où les connaissances scientifiques évoluent si vite que des ajouts et des modifications seront sans doute bientôt nécessaires. Il ne fait cependant aucun doute que cette troisième édition du Guide sera très utile aux Membres de l'OMM qui fournissent des services maritimes et qu'elle continuera d’atteindre son double objectif: être pour tous un ouvrage d'initiation, élémentaire mais suffisant en soi, aux aspects fondamentaux de la prévision des vagues, et constituer en même temps une source de références et un guide de lecture sur ce sujet. Les auteurs de chaque chapitre sont dûment mentionnés, mais je tiens à exprimer ici, au nom de l'OMM, mes remerciements sincères à tous les experts (auteurs, réviseurs et M. Bruns en particulier) qui ont tant apporté à cette importante publication, riche d’enseignements.

(Petteri Taalas) Secrétaire général

REMERCIEMENTS

La révision du Guide de l'analyse et de la prévision des vagues est essentiellement le produit d'un travail d'équipe, auquel divers experts originaires de plusieurs pays ont apporté chacun le concours de ses compétences particulières, sous la direction générale de M. Thomas Bruns (Allemagne). Les rédacteurs et les auteurs ont assumé la responsabilité globale de la révision de chaque chapitre; dans les cas où ils ont reçu une aide substantielle, les noms des coauteurs sont également cités. Une grande partie du texte est tirée des deux premières éditions du Guide. Le directeur de la présente édition tient à remercier, pour leur participation aux éditions précédentes, les rédacteurs E. Bouws et A.K. Laing, ainsi que, pour leur collaboration aux différents chapitres, J.A. Battjes, E. Bouws, L. Burroughs, D.J.T. Carter, L. Draper, L. Eide, J.A. Ewing, W. Gemmill, L. Holthuijsen, M. Khandekar, A.K. Laing, A.K. Magnusson, M. Reistad et V. Swail. Les personnes suivantes ont contribué à l’élaboration de la présente édition: – Directeur de publication, introduction: T. Bruns, Service météorologique allemand (DWD), Centre de Hambourg, Allemagne; – Chapitre 1: F. Ocampo‑Torres, Océanographie physique, Centre de recherche scientifique et d'enseignement supérieur d'Ensenada (CICESE), Mexique; – Chapitre 2: T. Bruns, Service météorologique allemand (DWD), Centre de Hambourg, Allemagne; – Chapitre 3: A. Chawla, Centre national de prévision météorologique et climatique, Administration américaine pour les océans et l'atmosphère (NOAA), College Park, Maryland, États-Unis d'Amérique; – Chapitre 4: D. Mercer, J. Mclean et S. Desjardins, Environnement et Changement climatique Canada, Halifax, Canada; – Chapitre 5: J.‑R. Bidlot, Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), Reading, Royaume-Uni de Grande-Bretagne et d’Irlande du Nord; – Chapitre 6: A. Saulter, Service météorologique britannique (Met Office), Exeter, Royaume-Uni de Grande‑Bretagne et d'Irlande du Nord; – Chapitre 7: V. Swail, Environnement et Changement climatique Canada, Toronto, Canada; F. Ocampo‑Torres, Océanographie physique, Centre de recherche scientifique et d'enseignement supérieur d'Ensenada (CICESE), Mexique. Il est possible de prendre contact avec les collaborateurs de ce Guide par l'intermédiaire de la Division de la météorologie maritime et des affaires océaniques du Secrétariat de l'OMM, à l'adresse suivante: mmo@​wmo​.int. Le directeur de publication tient à remercier le personnel du Secrétariat qui a contribué à l’élaboration de cette publication.

INTRODUCTION

Aperçu général Le présent guide a pour objet les vagues océaniques, et en particulier celles produites par le vent. Ces vagues influent sur nos côtes et sur des activités de tous types que nous réalisons à proximité des côtes ou en pleine mer. À tout instant donné, les vagues sont le produit de l'histoire récente des vents agissant sur des surfaces souvent considérables de l'océan. La connaissance des vents nous permet de diagnostiquer l'état des vagues. Les progrès accomplis au fil des ans en matière de prévision numérique du temps ont abouti à une prévisibilité aussi forte pour les vagues que pour le vent. Le présent guide a pour objet de présenter des informations et des techniques de base pour l'analyse et la prévision des vagues océaniques. Il ne se veut pas un exposé théorique exhaustif sur les vagues et ne contient pas de détails sur les recherches actuelles. Il vise plutôt à donner un aperçu général, avec des détails sur des aspects considérés comme utiles dans la pratique de l'analyse et de la prévision des vagues. Les lecteurs intéressés par des questions de recherche fondamentale sur les processus et la modélisation des vagues se reporteront à l'ouvrage Dynamics and Modelling of Ocean Waves (Komen et al., 1994), tandis qu'un exposé approfondi des problèmes relatifs aux données sur les vagues et à leur exploitation est présenté dans Waves in Ocean Engineering: Measurement, Analysis, Interpretation (Tucker, 1991). Pour ce qui est des problèmes liés aux aménagements côtiers, le Shore Protection Manual du Coastal Engineering Research Center sert de référence (CERC, 1973, 1984). En général, les principaux utilisateurs de cette publication sont des professionnels et des techniciens participant à des activités qui subissent l'influence des vagues océaniques, c'està-dire une vaste communauté d'opérateurs maritimes et de personnes qui leur proposent des services spécialisés. Les spécialistes de la prévision météorologique maritime forment un groupe essentiel, mais le Guide s'adresse également aux utilisateurs potentiels des analyses, des prévisions et des produits climatologiques concernant des données sur les vagues. Cette troisième édition du Guide de l'analyse et de la prévision des vagues remplace les éditions 1988 et 1998 du même nom (OMM, 1988, 1998), qui remplaçaient elles‑mêmes le Manuel de l'analyse et de la prévision des vagues (OMM, 1976). Toutes ces éditions tiennent compte du fait que l'interprétation des données et des produits sur les vagues exige une bonne compréhension des processus dont sont issus ces derniers. Un aperçu de la théorie élémentaire est donc nécessaire dans le présent guide. Par conséquent, chaque fois qu'une technique ou qu'une source de données est présentée, des informations de base appropriées ont été incluses pour rendre la lecture de cette publication aussi autonome que possible.  Bien qu'un bon nombre des notions de base soient restées constantes d'une édition à l'autre, les progrès réalisés créent de nouvelles possibilités de services d'information sur les vagues. Ces dernières décennies, un nombre croissant de produits concernant les vagues ont intégré des données provenant de satellites ou ont été synthétisés à partir de simulations faisant appel à des modèles numériques des vagues utilisés par de nombreux centres de prévision de façon opérationnelle. Une exploitation efficace de ces produits n'est possible que si les prévisionnistes et les autres utilisateurs ont une connaissance suffisante des bases physiques de la modélisation des vagues et des observations par satellite. La modélisation des vagues est apparue comme un thème prédominant dès l'édition 1988 du Guide, puis dans son édition 1998. Il en est de même dans la présente édition. L'effort international concerté consenti dans les années 1980 pour mettre au point des modèles de vagues réalistes sur le plan physique a abouti à une génération de modèles de vagues ayant fait l'objet de recherches et d'essais approfondis et qui sont devenus des outils d'exploitation. Toutefois, certaines difficultés subsistent. Par exemple, la dissipation joue un rôle essentiel dans le bilan énergétique, mais elle fait encore l'objet de recherches, notamment concernant le déferlement des vagues et l'amortissement de la houle.

xiv

GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

En outre, pour des raisons de calcul, les modèles d'exploitation font encore appel au paramétrage des interactions de vague à vague qui régissent la répartition de l'énergie dans le spectre des vagues. Ces dernières années, grâce aux puissances de calcul disponibles de plus en plus grandes, il est devenu possible de comparer les paramétrages et les solutions exactes. Il en résultera en définitive des paramétrages plus réalistes, en particulier dans des conditions extrêmes, telles que les tempêtes tropicales. Les problèmes de l'évolution des vagues en eau peu profonde et de l'interaction avec les courants de surface exigent également des efforts constants. Aucune de ces nouvelles avancées n’est traitée dans la présente édition du Guide, car les progrès sont multiples et n'auront probablement aucune influence sur le travail quotidien des prévisionnistes. Quelques années après la parution de l'édition 1998 du Guide, il a été admis que les organismes nationaux et internationaux avaient effectué un nombre considérable de travaux de recherche, qui ont fourni de précieuses informations sur la prévision des vagues et la climatologie. Compte tenu de l'évolution des pratiques en cours en matière de prévision numérique de la mer du vent, il est apparu nécessaire de mettre à jour ce Guide régulièrement. L'idée d'insérer une partie dynamique dans un guide a déjà été appliquée au Guide des applications de la climatologie maritime (OMM, 1994) et sera également adoptée pour la présente édition du Guide. L'édition 1998 du Guide comprenait aussi un catalogue décrivant des modèles de vagues opérationnels. Pour la présente édition, il a été jugé utile d'externaliser ces descriptions sur une partie dynamique en ligne, car les configurations de modèles d'exploitation évoluent constamment (le Centre principal pour la vérification des prévisions de vagues (LC-WFV) de l'OMM et les résultats du projet de vérification des prévisions de vagues mené par la Commission technique mixte OMM‑COI d'océanographie et de météorologie maritime fournissent également des informations sur les modèles de vagues opérationnels). Certaines sections du Guide sont directement liées à la partie dynamique, où les informations recherchées peuvent être trouvées dans une liste de sites Web. Au fur et à mesure, la partie dynamique sera enrichie par d'autres contributions (par exemple, les publications récentes sur des sujets traités dans le présent guide et des informations sur les progrès relatifs aux prévisions des vagues océaniques), afin de tenir compte des derniers développements. La modélisation des vagues est largement employée pour synthétiser les données sur les vagues à des fins climatologiques. Son utilisation est brièvement présentée dans la section 7.4. Le Guide des applications de la climatologie maritime (OMM, 1994) donne une description détaillée des processus de simulation rétrospective des vagues et de leur utilisation dans le domaine de la climatologie des vagues; il a donc été estimé que le chapitre de l'édition précédente du Guide relatif aux statistiques sur le climat des vagues était redondant. Certains centres de prévision nationaux fournissent néanmoins des informations sur la climatologie des vagues fondée sur des champs de vent réanalysés. L'édition précédente mentionnait l'augmentation des données sur les vagues et le vent provenant de satellites. Cette troisième édition présente de nouvelles informations sur cette source de données, notamment dans les chapitres concernant les champs de vent (chapitre 2) et les données sur les vagues (chapitre 7). Ces données sont devenues indispensables pour améliorer l'initialisation des modèles numériques et valider les données sur les simulations rétrospectives. Certains travaux réalisés sur ce thème sont décrits. Malgré tous ces progrès, il est entendu que de nombreux produits concernant les vagues sont fondés sur des observations visuelles et que des analyses et des prévisions manuelles sont encore largement utilisées. Pour cette raison, la présente édition expose également les méthodes manuelles. Compte tenu des nombreux décès enregistrés au bord des plages dans le monde, une nouvelle section a été ajoutée sur les prévisions relatives aux courants d'arrachement. Les méthodes manuelles sont associées aux méthodes numériques en démontrant leur base physique commune.

INTRODUCTION

xv

Terminologie Dans le présent guide, l’expression «analyse des vagues» fait référence à un large éventail de processus. Le contexte météorologique traditionnel d'une analyse s'appuie sur l'assimilation de données, mais cela a limité l'application à la production de produits concernant les vagues, les données sur les vagues étant trop rares. Aujourd'hui, les satellites fournissent un volume considérable de données sur le vent et les vagues, qui sont assimilées dans des modèles numériques. L'«analyse des vagues» intègre les processus d'évaluation, de calcul et de diagnostic de l'état des vagues. Il existe un rapport direct entre le vent et les vagues qui, en principe, revient à une question de calcul par des moyens manuels ou automatiques. Parfois, ce rapport est très simple et peut être représenté par un tableau indiquant la hauteur des vagues pour une vitesse du vent donnée (et éventuellement la direction du vent). Dans de nombreux cas cependant, une approche plus complexe est nécessaire, selon: a) la quantité de détails requise (informations sur la période des vagues, leur cambrure, etc.); b) les conditions environnementales de la zone de prévision, y compris la géométrie des côtes, la bathymétrie et les courants; et c) la nature du vent, qui peut parfois être variable (avec des changements pouvant se produire avant qu'une condition stationnaire des vagues ait été atteinte). Dans le présent guide, la «prévision» a une signification légèrement différente de celle qu'on lui donne généralement en météorologie. Lorsqu'une prévision des vagues est établie, il est possible de prévoir la propagation de l'énergie des vagues, mais l'évolution de cette énergie dépend du vent. Ainsi, une grande partie du processus a trait à la prévision des vents qui provoquent les vagues. En fait, l'évolution des vagues est diagnostiquée à partir du vent prévu. La «simulation rétrospective» désigne le diagnostic portant sur des informations relatives aux vagues qui sont fondées sur des données d'archives sur le vent. Un calcul fondé sur les données actuelles relatives au vent est communément appelé «analyse des vagues». L’expression «prévision immédiate» est de plus en plus employée en météorologie dans un contexte semblable. Les formules utilisées dans le présent guide obéissent à certaines conventions d'écriture. Les quantités vectorielles, en particulier, sont indiquées en italiques et en caractères gras (par exemple, a) pour les distinguer des grandeurs scalaires (par exemple, a). Questions climatologiques Quel que soit l'objectif principal de l'analyse ou de la prévision des vagues, une appréciation de la climatologie des vagues est essentielle. Toutefois, comme pour tous les calculs, des résultats cohérents sont plus probables si l'on connaît le climat local des vagues, en particulier les valeurs extrêmes et la probabilité de divers paramètres concernant les vagues (par exemple, leur hauteur et leur période) dans la zone maritime ou océanique à laquelle on s'intéresse. En outre, l'expérience devrait donner une idée des valeurs probables qui peuvent apparaître dans des conditions de vent données. Il est donc d'une importance cruciale que toute étude, y compris la formation à la prévision des vagues, commence par l’examen détaillé de la géographie et de la climatologie de la zone concernée, afin de pouvoir apprécier les limitations du fetch pour certaines directions du vent, l'existence de courants océaniques puissants, la configuration type des champs de vent dans les situations météorologiques prédominantes dans la région et la probabilité climatologique de la vitesse et de la direction des vents. Il est utile de connaître les valeurs extrêmes de la hauteur et de la période des vagues: une hauteur supérieure à 20 mètres est exceptionnelle, de sorte que les hauteurs caractéristiques ne dépasseront pas souvent 10 mètres. Quant aux périodes caractéristiques, elles varient habituellement entre 4 et 15 secondes et dépassent rarement 20 secondes. En outre, les vagues peuvent parcourir de longues distances, tout en conservant une hauteur et une énergie appréciables. On a ainsi pu observer dans l'Atlantique Sud une houle due à des vagues

xvi

GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

engendrées par des tempêtes aux latitudes moyennes de l'Atlantique Nord et des dégâts sur des atolls situés dans la partie équatoriale du Pacifique provoqués par une houle qui avait vraisemblablement parcouru plusieurs milliers de kilomètres. Si l'on est appelé à fournir régulièrement des prévisions sur les vagues pour le même endroit ou la même zone (par exemple, au titre d'une assistance à des aménagements côtiers ou maritimes ou à d'autres activités comme le chargement de navires), il est préférable d'organiser des mesures régulières des vagues à des sites appropriés afin de recueillir les données nécessaires à la vérification des prévisions concernant les vagues ou à la validation des modèles servant aux rétrospections. Dans certains cas, on parviendra même à constituer un jeu de données mesurées suffisamment homogène pour déterminer le climat des vagues par analyse statistique. Pour de nombreuses applications, la seule façon de réunir un jeu de données satisfaisant consiste en général à procéder à une rétrospection s'étendant sur une assez longue période, en faisant appel à des champs de vent déduits d'anciennes cartes du temps ou à des données archivées sur la pression de l'air provenant de modèles atmosphériques. Cependant, la disponibilité actuelle de données issues d'altimètres de satellites recueillies dans le monde entier depuis plus de 10 ans permet de décrire avec précision la climatologie de la hauteur des vagues, du moins dans les régions des océans du monde qui ne sont pas touchées par des tempêtes tropicales, avec une résolution spatiale qui est celle des données transmises par satellite.  Structure du Guide Le présent guide est articulé en sept chapitres et deux annexes. Les trois premiers chapitres contiennent des informations générales de base et le quatrième porte sur les techniques manuelles traditionnelles de prévision des vagues. Les chapitres suivants portent sur la modélisation des vagues et sur les complications qui se produisent lorsque les vagues pénètrent dans des eaux d’une profondeur limitée ou peu profondes ou qu'elles sont provoquées dans celles-ci. Le chapitre 1 fournit un aperçu de la théorie des vagues en eau libre. Des vagues linéaires simples sont présentées et leur comportement décrit. Il s'agit là des composantes de base de descriptions plus complexes des champs de vagues, et notamment du spectre de vagues (fréquencedirection). D'autres sujets sont traités: les notions d'énergie des vagues et de vitesse de groupe (qui sont particulièrement importantes pour l’examen de la propagation de l'énergie des ondes de surface), les effets de la profondeur sur les vagues simples et des descriptions statistiques élémentaires des enregistrements de vagues. Le chapitre 2 est consacré à la définition des vents qui produisent les vagues. Étant donné la grande sensibilité du développement des vagues à la vitesse du vent, une prévision fiable des vagues n'est possible que si les données sur le vent sont d’une précision suffisante. Ce chapitre présente un aperçu des sources de données sur les vents de surface et des vents obtenus à partir d'analyses météorologiques. La complication des couches limites maritimes y est également abordée. Le chapitre 3 présente la base physique des processus qui régissent l'évolution de l’état des vagues. Il s'agit principalement de la production de vagues par le vent, de leur propagation à la surface des océans, de la dissipation et de la redistribution de l'énergie dans le spectre des vagues dus aux interactions de vague à vague faiblement non linéaires. La formulation de ces processus est présentée pour être appliquée dans les procédures de prévision manuelle et la modélisation numérique. Si la modélisation numérique des vagues est devenue la norme dans de nombreux centres, les méthodes manuelles restent largement utilisées. Ces méthodes, qui sont d'usage opérationnel depuis plus de 40 ans, ont fait leurs preuves. Ainsi, le chapitre 4 est resté inchangé pour l'essentiel par rapport au Manuel d'origine. Il décrit les procédures manuelles permettant de déterminer les vagues de vent et présente des exemples illustrant comment ces procédures sont appliquées à des situations de plus en plus compliquées. Des méthodes manuelles simples permettent

INTRODUCTION

xvii

d'estimer l'influence des fonds sur la hauteur des vagues. Le chapitre s'achève par une section portant sur la prévision manuelle des courants d'arrachement. Des nomogrammes et des conseils relatifs à la prévision manuelle des vagues sont réunis dans les annexes. Le chapitre 5 décrit la structure générale des modèles numériques de vagues fondés sur une équation décrivant le bilan énergétique d'un champ d'ondes de surface. Il répertorie chaque élément identifié et détaille son utilisation dans les modèles de vagues. Le calcul complet de tous ces processus n'étant pas viable dans un environnement opérationnel, les modèles de vagues ne traitent pas nécessairement toutes les composantes de façon explicite. Pour améliorer leur exploitabilité, il est fait appel à des options alternatives. Certaines de ces options ne sont pas nouvelles et datent d'une époque où les capacités de calcul étaient limitées et où les mécanismes dominants n'étaient pas aussi bien attribués. Ce chapitre décrit également les classes de modèles de vagues découlant de cette évolution. Sont aussi prises en compte la production de nouvelles vagues en eau peu profonde et la dissipation due au frottement sur le fond à inclure dans les modèles numériques des vagues. Le chapitre porte en outre sur certains problèmes qui se posent dans la zone à proximité des côtes, tels que les lames déferlantes ainsi que la surélévation du niveau moyen de l'eau et les courants provoqués par les vagues. Le chapitre 6 se penche sur l’exploitation des modèles numériques de vagues. Parmi les éléments opérationnels importants figurent les résultats des modèles, y compris une gamme de cartes et de formats codés, ainsi que la vérification des produits émanant des modèles. Enfin, le chapitre 7 couvre un large éventail de sources de données concernant les vagues observées visuellement, mesurées et modélisées. Organisé par méthode d'observation, il porte sur les bouées houlographes, les navires et les observations de vagues par télédétection, y compris les observations spatiales provenant d'altimètres et de radars à antenne synthétique, et les observations en surface obtenues à l'aide de radars à haute fréquence, de radars en bande X, etc. Les bases de données relatives aux simulations rétrospectives des vagues, y compris les réanalyses, tirées de modèles numériques forcés par des champs de vent régionaux à mondiaux, constituent une autre source de données importante, notamment pour l'analyse du climat. Il va sans dire que le présent guide comprend des passages qui datent et qui ont une «durée de vie» limitée. Certaines informations sur la situation en matière d'acquisition des données, les modèles employés, les produits fournis, les études en cours et d'autres activités, qui étaient corrects au moment de la mise sous presse, évolueront nécessairement dans le temps. Néanmoins, l'inclusion de ces sujets est indispensable dans une publication de ce type. Le présent guide a pour objet de fournir des orientations pour la résolution de problèmes relatifs à l'analyse et à la prévision des vagues rencontrés au quotidien. Dans certains cas, cependant, les problèmes en question n'entrent pas dans le champ de cette publication. Si le lecteur souhaite approfondir certains sujets, l'ouvrage comprend suffisamment de références pour lui permettre de le faire. Il pourra également prendre contact avec le rédacteur du chapitre qui l'intéresse; les noms et les coordonnées des rédacteurs figurent dans la section consacrée aux remerciements. Cet ouvrage ne prétend pas constituer une formation complète à lui seul. Pour les prévisionnistes en météorologie maritime appelés à faire des prévisions sur les vagues, des cours de formation spécialisés sont recommandés. Par exemple, l'interprétation du matériel d'orientation que les résultats d'un modèle de vagues donné présentent pour un service national particulier va bien au-delà des limites de ce Guide.

CHAPITRE 1. VAGUES OCÉANIQUES

Rédacteur: A.K. Laing; mise à jour: F. Ocampo‑Torres

1.1

INTRODUCTION

Les vagues qui se produisent à la surface des océans sont le résultat de forces qui agissent sur ces derniers. Les forces naturelles prédominantes sont la pression ou la tension de l'atmosphère (due aux vents, en particulier), les tremblements de terre, la gravité de la Terre et des corps célestes (Soleil et Lune), la force de Coriolis (due à la rotation de la Terre) et la tension superficielle. Les caractéristiques des vagues dépendent des forces qui les contrôlent. Les ondes de marée, qui se produisent en raison de l’attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil, sont des vagues de grande échelle. À l'autre extrémité de l'échelle, les vagues capillaires sont principalement contrôlées par la tension superficielle de l'eau. Lorsque la gravité de la Terre et la poussée d’Archimède constituent les principaux facteurs déterminants, il s'agit d'ondes de gravité. Les vagues peuvent être caractérisées par leur période, c'est-à-dire l'intervalle de temps qui sépare le passage de deux crêtes de vagues successives en un point fixe. Le type et l'échelle des forces qui agissent pour créer une vague se traduisent généralement par sa période. La figure 1.1 illustre cette classification des vagues. À grande échelle, les marées ordinaires sont constantes, mais prévisibles. Les tsunamis (produits par des tremblements de terre ou des mouvements de terrain), qui peuvent être catastrophiques, et les ondes de tempête le sont moins. Ces dernières, qui sont liées au mouvement de phénomènes atmosphériques synoptiques ou à méso-échelle, peuvent provoquer des inondations côtières. Les ondes de gravité générées par le vent sont presque toujours présentes en mer. Ces ondes sont produites par les vents qui soufflent sur l'océan, que ce soit localement ou à des milliers de kilomètres de distance. Elles ont une incidence sur un large éventail d'activités, telles que la navigation, la pêche, les loisirs, les industries côtières et maritimes, la gestion des côtes (défense) et la lutte contre la pollution. Elles influent également beaucoup sur les processus climatiques, car elles jouent un rôle important dans les échanges de chaleur, d'énergie, de gaz et de particules entre les océans et l'atmosphère. Ces vagues sont l'objet du présent guide. Pour analyser et prévoir ces vagues, il convient de s'appuyer sur un modèle, c'est-à-dire une théorie sur leur comportement face aux facteurs de forçage. Si l'on observe la surface de

Énergie relative

Vagues capillaires

Vagues de gravité capillaires

0,1 s

1s

Vagues de gravité ordinaires

Vagues de faible gravité, groupes de vagues

30 s

5 min

Vagues à période longue Seiches, ondes de tempête, tsunamis

Vagues de grande Vagues marée de marée normales Soleil et Lune

12 h 24 h

Période des vagues

Figure 1.1. Classification des vagues océaniques selon leur période Source: D'après Munk (1951)

2

GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

l'océan, il apparaît que les vagues forment souvent un motif complexe. Pour commencer, nous rechercherons un modèle de départ simple qui corresponde à la dynamique connue de la surface de l'océan, à partir duquel nous constituerons une image plus complète des vagues de vent que nous observons. Le modèle de l'océan utilisé pour obtenir cette image repose sur quelques hypothèses simples: – – –

L'incompressibilité de l'eau: la densité est constante et il est donc possible d'en déduire une équation de continuité pour le liquide, qui exprime la conservation du liquide dans une petite cellule d'eau (nommée particule d'eau). La non-viscosité de l'eau: les seules forces qui agissent sur une particule d'eau sont la gravité et la pression (qui agit perpendiculairement à la surface de la particule); le frottement n'est pas pris en compte. L'écoulement du liquide est irrotationnel: les particules individuelles n'effectuent pas de rotation. Elles peuvent se déplacer les unes autour des autres, mais il n'y a pas d'action de torsion. Nous pouvons ainsi mettre en relation les mouvements de particules voisines en définissant une quantité scalaire, appelée potentiel de vitesse, pour le liquide. La vitesse du liquide est déterminée par les variations dans l’espace de cette quantité.

À partir de ces hypothèses, des équations peuvent être formulées pour décrire le mouvement du liquide. Le présent guide ne présente pas le calcul que l'on peut trouver dans la plupart des manuels sur les vagues ou les liquides (par exemple, Kinsman, 1965; Neumann et Pierson, 1966; Crapper, 1984; et Massel, 2013).

1.2

VAGUE LINÉAIRE SIMPLE

Le mouvement le plus simple d'une vague peut être représenté par une onde sinusoïdale progressive à crête longue. Le descripteur sinusoïdal signifie que la vague se répète et possède la forme douce de la sinusoïde illustrée par la figure 1.2. Le descripteur à crête longue indique que la vague se compose d'une série de crêtes longues, parallèles, de hauteur égale et équidistantes les unes des autres. La vague est dite progressive, car elle se déplace à vitesse constante perpendiculairement aux crêtes, sans changer de forme. 1.2.1

Définitions de base

La longueur d'onde, λ, est la distance horizontale (exprimée en mètres, par exemple) qui sépare deux crêtes successives. – La période, T, est l'intervalle de temps (exprimé en secondes) qui sépare le passage de crêtes successives par un point fixe. – La fréquence, f, est le nombre de crêtes qui passent par un point fixe en une seconde. Elle est généralement mesurée en nombres par seconde (Hertz) et est égale à 1/T. – L'amplitude, a, est l'ampleur du déplacement maximal par rapport au niveau moyen de la mer. Elle est généralement exprimée en mètres (ou en pieds). –

T λ η

Crête Niveau zéro

a

H = 2a

a Creux Figure 1.2. Onde sinusoïdale simple

x,t

CHAPITRE 1. VAGUES OCÉANIQUES

– – –

3

La hauteur de la vague, H, est la différence d'élévation en surface entre la crête d'une vague et le creux précédent de la vague. Pour une vague sinusoïdale simple, H = 2a. La vitesse de propagation, c, est la vitesse à laquelle le profil d'une vague se déplace, c'est-à-dire la vitesse à laquelle la crête et le creux de la vague avancent. On l'appelle couramment vitesse de la vague ou vitesse de phase. La cambrure d'une vague est le rapport entre sa hauteur et sa longueur (H/λ).

1.2.2

Rapports de base

Pour tous les types de vagues progressives réellement périodiques, on peut écrire: 

λ = cT (1.1)

Autrement dit, la longueur d'onde d'une vague périodique est égale au produit de la vitesse de la vague (ou vitesse de phase) par la période de celle-ci. Cette formule est facile à comprendre. Imaginons qu'à un instant donné, la première de deux crêtes successives atteint un point d'observation fixe, puis qu'une période plus tard (T secondes), la seconde crête atteint le même point. Dans l'intervalle, la première crête a couvert une distance égale à c fois T. Le profil de la vague linéaire simple a la forme d'une onde sinusoïdale:

η( x, t ) = a sin(kx − ω t ) (1.2)

Dans l'équation 1.2, k =2π/λ est le nombre d’onde et ω = 2π/T est la pulsation. Le nombre d’onde est la mesure cyclique du nombre de crêtes par distance unitaire, tandis que la pulsation est le nombre de radians par seconde. Le cycle d'une vague est une révolution complète, égale à 2π radians. L'équation 1.2 contient les coordonnées temporelles (t) et spatiales (x). Elle représente la vision que l'on peut avoir à partir d'un avion, décrivant la progression du temps et les variations d'un point à un autre. Il s'agit de la solution la plus simple des équations du mouvement pour le déplacement d'une onde de gravité sur un liquide – c'est-à-dire une vague linéaire de surface. Dans l'équation 1.1, la vitesse de la vague c peut s'écrire λ/T, ou, maintenant que nous avons défini k, ω/k. La variation de la vitesse de la vague en fonction de sa longueur d'onde est appelée dispersion, tandis que le rapport fonctionnel est appelé relation de dispersion. Cette relation est déduite des équations du mouvement et, pour les eaux profondes, peut s'exprimer en termes de fréquence et de longueur d'onde ou, comme c'est généralement le cas, entre ω et k: ω 2 = gk (1.3)



où g désigne l'accélération due à la pesanteur, de telle façon que la vitesse de la vague est égale à:

c=

λ ω = = T k

g (1.4) k

Si nous considérons un profil comme une photo prise au moment t = 0, l'axe horizontal est égal à x et le profil de la vague est «gelé», soit:

η( x) = a sin(kx) (1.5)

Cependant, on obtient le même profil si l'on mesure le déplacement de la vague au moyen d'un enregistreur de vagues situé à la position x = 0. Le profil alors enregistré est:

η(t ) = a sin(−ω t ) (1.6)

L'équation 1.6 décrit, par exemple, le mouvement d'un objet flottant ancré qui monte et qui descend au passage d’une vague. Les paramètres importants dans la prévision des vagues ou les mesures relatives à des dispositifs stationnaires, tels que des installations en mer, sont donc la hauteur des vagues, leur période (ou leur fréquence) et leur direction. Un observateur qui doit donner une estimation visuelle ne peut pas fixer un niveau zéro, comme dans la figure 1.2, et ne peut donc pas mesurer l'amplitude des vagues. À la place, il indique donc la distance verticale entre la crête et le creux précédent (la hauteur de la vague).

4

GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

En réalité, les vagues sinusoïdales simples décrites ci-dessus ne se produisent jamais en mer; seule la houle qui passe par une zone non ventée s'en approche. Nous avons commencé par la description de vagues simples, car elles représentent les solutions de base des équations physiques qui régissent les vagues à la surface des océans. Elles sont les «composantes de base» des champs de vagues réelles se produisant en mer, comme nous le verrons ultérieurement. En fait, on fait souvent appel à la notion de vagues sinusoïdales simples pour comprendre et décrire les vagues à la surface des océans. Malgré cette description simplifiée, les définitions et les formules qui en découlent sont largement utilisées dans la pratique et ont fait leurs preuves. Mouvement orbital des particules d'eau

1.2.3

Les particules d'eau se déplacent vers le haut et vers le bas, à mesure que les vagues progressent. En observant soigneusement de petits objets flottant à la surface, on s'aperçoit que l'eau se déplace aussi vers l'avant dans les crêtes et vers l'arrière dans les creux. Si l'eau est assez profonde par rapport à la longueur d'onde, les déplacements sont à peu près du même ordre de grandeur dans les plans horizontal et vertical. En fait, pendant le cycle d'une vague simple (c'est-à-dire sa période), les particules décrivent un cercle dans le plan vertical. Ce plan vertical est la coupe illustrée par la figure 1.2. En eau peu profonde, les particules d'eau décrivent une ellipse. La figure 1.3 illustre ce mouvement des particules pour une vague sinusoïdale simple en eau profonde. Considérons la vitesse à laquelle une particule d'eau accomplit son orbite. La circonférence du cercle est égale à πH. Une particule parcourt cette circonférence en un temps égal à la période T. La vitesse de l'eau est donc πH/T. Il s'agit également de la plus grande vitesse horizontale atteinte dans les crêtes. Il ne faut pas confondre la vitesse des particules d'eau individuelles avec la vitesse

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Figure 1.3. Progression d'une vague: 13 instantanés pris à des intervalles de temps égaux au 1/12e de la période Source: D'après Gröen et Dorrestein (1976)

CHAPITRE 1. VAGUES OCÉANIQUES

5

Figure 1.4. Décalage de la trajectoire suivie par une particule d'eau pendant deux périodes consécutives à laquelle le profil des vagues se propage (vitesse des vagues). La vitesse de propagation du profil d'une vague, qui correspond à λ/T, est généralement beaucoup plus grande et la longueur d'onde λ est souvent largement supérieure à πH. La figure 1.3 a été légèrement simplifiée pour montrer la progression des crêtes et des creux telle qu'elle résulte du déplacement des particules d'eau. En réalité, selon la cambrure de la vague, une particule d'eau ne revient pas exactement à son point de départ à l'issue de sa trajectoire, mais à un point situé un peu plus en avant dans la direction où les vagues se déplacent (figure 1.4). Autrement dit, le mouvement de retour dans le creux de la vague est un peu plus lent que le mouvement en avant dans la crête, de sorte qu'il se produit un petit décalage vers l'avant. Cet écart nommé «dérive de Stokes» augmente dans le cas des vagues escarpées (voir section 1.2.7). 1.2.4

Énergie des vagues

Les vagues sont associées à un déplacement dans l'eau. Par conséquent, lorsqu'une vague remue l'eau, une énergie cinétique lui est associée, qui se déplace avec elle. Les vagues déplacent aussi des particules dans le plan vertical, influant ainsi sur l'énergie potentielle de la colonne d'eau. Cette énergie se déplace aussi avec les vagues. L'énergie totale se partage également entre l'énergie cinétique et l'énergie potentielle, ce qui constitue une caractéristique intéressante des vagues que l'on nomme l'équipartition de l'énergie. L'énergie ne se déplace pas à la même vitesse que la vague, c'est-à-dire la vitesse de phase. Elle se déplace à la vitesse des groupes de vagues et non de vagues individuelles. Nous aborderons à la section 1.3.2 la notion de vitesse de groupe, mais il est intéressant de noter ici qu'en eau profonde, la vitesse de groupe est égale à la moitié de la vitesse de phase. Il peut être établi que l'énergie totale d'une vague linéaire simple est égale à ρwga2/2, ce qui revient au même que ρwgH2/8, où ρw est la densité de l'eau. Il s'agit du total des énergies potentielle et cinétique de toutes les particules de la colonne d'eau pour une longueur d'onde. 1.2.5

Influence de la profondeur de l'eau

À mesure qu'une vague se propage, l'eau est remuée de telle façon que l'eau de surface et l'eau plus profonde sous la vague se déplacent. Si la colonne d'eau est suffisamment profonde, les particules d'eau décrivent aussi des cercles verticaux, dont le diamètre diminue à mesure que la profondeur augmente (figure 1.5). De fait, cette diminution est exponentielle. Au-dessous d'une profondeur égale à la moitié d'une longueur d'onde, le déplacement des particules d'eau est inférieur à 4 % de leur déplacement à la surface. Il en résulte que, tant que la profondeur de l'eau est supérieure à la valeur correspondant à λ/2, l'influence du fond sur le mouvement des particules d'eau peut être considérée comme négligeable. L'eau est donc dite profonde par rapport à une vague de surface donnée, lorsque sa profondeur est au moins égale à la moitié de la longueur d'onde. Dans la pratique, il est courant de situer la limite entre l'eau profonde et l'eau d'une profondeur intermédiaire à h = λ/4. En eau profonde, les déplacements

6

GUIDE DE L’ANALYSE ET DE LA PRÉVISION DES VAGUES

Figure 1.5. Trajectoires des particules d'eau à diverses profondeurs dans une vague en eau profonde. Chaque cercle est égal à 1/9e de la longueur d'onde située au-dessous de celui qui se trouve immédiatement au-dessus. Le profil de la vague progresse de gauche à droite. à cette profondeur sont égaux à 20 % environ de ceux de la surface. Cependant, tant que l'eau est plus profonde que λ/4, les vagues de surface ne sont pas déformées de façon sensible, et leur vitesse est très proche de celle relevée en eau profonde. Les termes suivants servent à caractériser les rapports entre la profondeur (h) et la longueur d'onde (λ): – – –

eau profonde: h > λ/4; eau de profondeur intermédiaire: λ/25